Am Anfang gab es eine unendlich dichte, winzige Kugel aus Materie. Dann ging alles Knall, was zu den Atomen, Molekülen, Sternen und Galaxien führt, die wir heute sehen.
Oder zumindest wurde uns das von Physikern in den letzten Jahrzehnten gesagt.
Aber neue Forschungen der theoretischen Physik haben kürzlich ein mögliches Fenster in das sehr frühe Universum aufgedeckt, was zeigt, dass es vielleicht doch nicht „sehr früh“ ist. Stattdessen könnte es nur die neueste Iteration eines Bang-Bounce-Zyklus sein, der seit … na ja, mindestens einmal und möglicherweise für immer andauert.
Natürlich müssen diese theoretischen Vorhersagen einen Ansturm von Beobachtungstests überstehen, bevor Physiker sich entscheiden, den Urknall zugunsten eines Bang-Bounce-Zyklus wegzuwerfen.
Prellen Kosmologien
Wissenschaftler haben ein wirklich gutes Bild des sehr frühen Universums, etwas, das wir als die Urknalltheorie kennen und lieben. In diesem Modell war das Universum vor langer Zeit viel kleiner, viel heißer und viel dichter als heute. In diesem frühen Inferno vor 13, 8 Milliarden Jahren wurden alle Elemente, die uns zu dem machen, was wir sind, innerhalb von etwa einem Dutzend Minuten gebildet.
Noch früher, so geht dieses Denken, war unser gesamtes Universum – alle Sterne, alle Galaxien, alles — irgendwann so groß wie ein Pfirsich und hatte eine Temperatur von über einer Billiarde Grad.
Erstaunlicherweise hält diese fantastische Geschichte allen aktuellen Beobachtungen stand. Astronomen haben alles getan, von der Beobachtung der übrig gebliebenen elektromagnetischen Strahlung aus dem jungen Universum bis zur Messung der Fülle der leichtesten Elemente, und festgestellt, dass sie alle mit dem übereinstimmen, was der Urknall vorhersagt. Soweit wir das beurteilen können, ist dies ein genaues Porträt unseres frühen Universums.
Aber so gut es auch ist, wir wissen, dass das Urknallbild nicht vollständig ist — es fehlt ein Puzzleteil, und dieses Stück sind die frühesten Momente des Universums selbst.
Das ist ein ziemlich großes Stück.
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Der Flächenbrand
Das Problem ist, dass die Physik, die wir verwenden, um das frühe Universum zu verstehen (ein wunderbar komplizierter Mischmasch aus allgemeiner Relativitätstheorie und hochenergetischer Teilchenphysik), uns nur so weit bringen kann, bevor wir zusammenbrechen. Während wir versuchen, immer tiefer in die ersten Momente unseres Kosmos vorzudringen, wird die Mathematik immer schwieriger zu lösen, bis zu dem Punkt, an dem sie einfach … aufhört.
Das Hauptzeichen, das wir noch nicht erforscht haben, ist das Vorhandensein einer „Singularität“ oder eines Punktes unendlicher Dichte zu Beginn des Urknalls. Für bare Münze genommen, sagt uns dies, dass das Universum an einem Punkt in einen unendlich winzigen, unendlich dichten Punkt gestopft war. Das ist offensichtlich absurd, und was es uns wirklich sagt, ist, dass wir neue Physik brauchen, um dieses Problem zu lösen — unser aktuelles Toolkit ist einfach nicht gut genug.
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Um den Tag zu retten, brauchen wir eine neue Physik, die in der Lage ist, mit der Schwerkraft und den anderen Kräften bei ultrahohen Energien umzugehen. Und genau das behauptet die Stringtheorie: ein physikalisches Modell, das in der Lage ist, die Schwerkraft und die anderen Kräfte zusammen bei ultrahohen Energien zu bewältigen. Was bedeutet, dass die Stringtheorie behauptet, sie könne die frühesten Momente des Universums erklären.
Eine der frühesten Vorstellungen der Stringtheorie ist das „ekpyrotische“ Universum, das vom griechischen Wort für „Feuersbrunst“ oder Feuer kommt. In diesem Szenario wurde das, was wir als Urknall kennen, durch etwas anderes ausgelöst, das davor geschah — der Urknall war kein Anfang, sondern ein Teil eines größeren Prozesses.
Die Erweiterung des ekpyrotischen Konzepts hat zu einer Theorie geführt, die wiederum von der Stringtheorie motiviert ist und zyklische Kosmologie genannt wird. Ich nehme an, dass technisch gesehen die Idee, dass sich das Universum ständig wiederholt, Tausende von Jahren alt ist und der Physik vorausgeht, aber die Stringtheorie gab der Idee eine feste mathematische Grundlage. Das zyklische Universum läuft genau so ab, wie Sie es sich vorstellen können, und hüpft ständig zwischen großem Knall und großem Knirschen, möglicherweise für die Ewigkeit zurück in der Zeit und für die Ewigkeit in die Zukunft.
Vor dem Anfang
So cool das klingt, frühe Versionen des zyklischen Modells hatten Schwierigkeiten, Beobachtungen zusammenzubringen — was eine große Sache ist, wenn man versucht, Wissenschaft zu betreiben und nicht nur Geschichten am Lagerfeuer zu erzählen.
Die Haupthürde bestand darin, mit unseren Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds übereinzustimmen, dem fossilen Licht, das übrig geblieben ist, als das Universum erst 380.000 Jahre alt war. Wir können zwar nicht direkt an dieser Wand des Lichts vorbeischauen, aber wenn Sie theoretisch anfangen, an der Physik des Säuglingskosmos zu basteln, beeinflussen Sie dieses nachleuchtende Lichtmuster.
Und so schien es, dass ein zyklisches Universum eine nette, aber falsche Idee war.
Aber die ekpyrotische Fackel wurde im Laufe der Jahre angezündet, und ein im Januar in der arXiv-Datenbank veröffentlichter Artikel hat die Falten in der Mathematik untersucht und einige zuvor verpasste Gelegenheiten aufgedeckt. Die Physiker Robert Brandenberger und Ziwei Wang von der McGill University in Kanada fanden heraus, dass es im Moment des „Bounce“, wenn unser Universum auf einen unglaublich kleinen Punkt schrumpft und in einen Urknallzustand zurückkehrt, möglich ist, alles in Einklang zu bringen, um das richtige Beobachtungsergebnis zu erhalten.
Mit anderen Worten, die komplizierte (und zugegebenermaßen schlecht verstandene) Physik dieser kritischen Epoche kann in der Tat eine radikal überarbeitete Sicht auf unsere Zeit und unseren Ort im Kosmos ermöglichen.
Aber um dieses Modell vollständig zu testen, müssen wir auf eine neue Generation kosmologischer Experimente warten.
Paul M. Sutter ist Astrophysiker am SUNY Stony Brook und am Flatiron Institute, Moderator von Ask a Spaceman und Space Radio und Autor von Your Place in the Universe.
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Ursprünglich veröffentlicht auf Live Science.
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